Đầu những năm 2010, một công ty khởi nghiệp trị giá hàng tỷ USD hứa hẹn sẽ cách mạng hóa truyền thông di động là LightSquared đã tuyên bố phá sản. Công ty không thể tìm ra cách ngăn chặn tín hiệu của mình gây nhiễu tín hiệu của hệ thống GPS.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một công cụ mới có thể ngăn những sự cố như vậy xảy ra lần nữa: một bộ lọc có thể tùy chỉnh giúp ngăn chặn nhiễu thành công, ngay cả ở các dải tần số cao hơn của phổ điện từ.

Bản thân phổ điện từ là một trong những tài nguyên quý giá nhất của thế giới hiện đại. Chỉ một phần rất nhỏ của phổ điện từ (chiếm chưa đến một phần tỷ của một phần trăm quang phổ tổng thể, trong đó chủ yếu là sóng vô tuyến) phù hợp cho truyền thông không dây.

Các băng tần thuộc phần phổ đó được kiểm soát cẩn thận bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) và chỉ gần đây mới cung cấp băng tần Dải tần số 3 (FR3), bao gồm các tần số từ khoảng 7 GHz đến 24 GHz, cho mục đích thương mại.

Cho đến nay, thông tin liên lạc không dây chủ yếu sử dụng các dải tần số thấp hơn, ở tần số từ 600 MHz đến 6 GHz. Đó là các thế hệ mạng 5G, 4G, 3G. Các thiết bị không dây sử dụng những bộ lọc khác nhau cho những tần số khác nhau, dẫn đến việc bao phủ tất cả các tần số hoặc băng tần đòi hỏi số lượng lớn bộ lọc chiếm không gian đáng kể (Điện thoại thông minh thông thường có tới 100 bộ lọc để đảm bảo tín hiệu từ các băng tần khác nhau không gây nhiễu lẫn nhau).

Băng tần FR3 rất có thể sẽ được triển khai cho 6G hoặc Next G, có nghĩa là thế hệ mạng di động tiếp theo. Hiện tại, các công nghệ bộ lọc cỡ nhỏ với suy hao thấp trong các băng tần đó khá hạn chế. Việc có một bộ lọc có thể tùy chỉnh được trên các băng tần đó có nghĩa là không cần phải lắp hơn 100 bộ lọc vào một chiếc điện thoại.

Một vấn đề phức tạp khi sử dụng các băng tần cao hơn là nhiều tần số đã được dành riêng cho vệ tinh. Các ứng dụng quân sự cũng sẽ không từ bỏ tần số ra đa hoặc thông tin liên lạc vệ tinh nằm ngay trong các dải tần đó.

Để khắc phục vấn đề trên, các nhà nghiên cứu đã thiết kế bộ lọc có thể điều chỉnh được để các kỹ sư có thể tùy chỉnh các tần số khác nhau thay vì phải sử dụng những bộ lọc riêng biệt. Việc có thể tùy chỉnh được sẽ thực sự quan trọng vì ở những tần số cao hơn này, không phải lúc nào cũng có được dải phổ dành riêng cho mục đích thương mại.

Điều làm cho bộ lọc có thể điều chỉnh được là một vật liệu độc đáo: yttrium sắt garnet (YIG), sự pha trộn của yttrium, một kim loại đất hiếm, cùng với sắt và oxy. Điều đặc biệt ở YIG là nó truyền sóng spin từ, đề cập đến loại sóng được tạo ra trong vật liệu từ tính khi các electron quay theo kiểu đồng bộ.

Khi tiếp xúc với từ trường, sóng spin từ do YIG tạo ra sẽ thay đổi tần số. Bằng cách điều chỉnh từ trường, bộ lọc YIG đạt được khả năng điều chỉnh tần số liên tục trên một dải tần cực rộng. Do đó, bộ lọc mới có thể được điều chỉnh theo bất kỳ tần số nào trong khoảng từ 3,4 GHz đến 11,1 GHz, bao phủ phần lớn dải tần mà FCC đã mở trong băng tần FR3.

Ngoài việc có thể điều chỉnh được, bộ lọc mới còn rất nhỏ - có kích thước tương đương với một phần tư so với các thế hệ bộ lọc YIG trước đây.

Một lý do khiến bộ lọc mới rất nhỏ và do đó có thể được lắp vào điện thoại di động trong tương lai là vì nó đòi hỏi rất ít năng lượng. Nhóm nghiên cứu đã đi tiên phong trong việc thiết kế mạch phân cực từ không có công suất tĩnh điện, một loại mạch tạo ra từ trường mà không cần bất kỳ năng lượng nào ngoài xung để điều chỉnh lại từ trường.

Kích thước bộ lọc mới (ở giữa) rất nhỏ so với các thiết kế bộ lọc dựa trên YIG trước đó (ở hai bên)

Trong khi YIG được phát hiện vào những năm 1950 và bộ lọc YIG đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, sự kết hợp giữa mạch mới với màng YIG cực mỏng được gia công vi mô tại Trung tâm Công nghệ nano Singh đã làm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng và kích thước của bộ lọc mới. Chi tiết tham khảo tại:

1. Xingyu Du, Mohamad Hossein Idjadi, Yixiao Ding, Tao Zhang, Alexander J. Geers, Shun Yao, Jun Beom Pyo, Firooz Aflatouni, Mark Allen, Roy H. Olsson. Frequency tunable magnetostatic wave filters with zero static power magnetic biasing circuitry. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-47822-3.

2. University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science. "To 6G and beyond: Engineers unlock the next generation of wireless communications." ScienceDaily. ScienceDaily, 24 May 2024. <www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240524114938.htm>.